30.03.21

[Домашняя]

Электронные термостаты бывают двух типов, - управляющие нагревом и управляющие охлаждением. Термостат, управляющий нагревом, служит для повышения температуры объекта относительно окружающей температуры и поддержания установленной температуры в заданных пределах. Такой термостат обычно управляет электронагревателем, включает его, когда температура ниже минимального установленного предела и выключает, когда температура достигает верхнего установленного предела. Такой термостат используется для нагрева воды, для поддержания повышенной температуры в инкубаторе, кессоне, в тепличном хозяйстве. Хороший пример термостата, управляющего охлаждением это схема, управляющая морозильным агрегатом холодильника или вентилятором обдува радиатора автомобиля. Нагрузка, то есть охладитель, будь то вентилятор или морозильный агрегат, включается, когда температура объекта превышает уста­новленный максимум и выключается, когда эта температура достигает заданного минимального значения. Таким образом, для разных целей нужны разные термостаты, даже полностью противоположные по действию. Но и это еще не все. В большинстве схем термостатов гисте­резис, то есть, интервал, в пределах которого нужно поддерживать температуру либо вообще не регулируется, либо устанавливается однократно в процесса налаживания схемы. На рисунка 1 показана схеме универсального термостата, который может управлять как нагрева­телем, так и охладителем.

И более того, у него есть две независимых органа регулировки, - один для установки верхнего предела температуры и второй для установки нижнего предела, так что гистерезис можно установить практически любым. Датчиком температуры служит специальный термодатчик А1 типа LM335Z, физически он представляет собой достаточно точный стабилитрон, напряжение стабилизации которого изменяется в зависимости от температуры, и, практически, в выражении в десятках милливольт равно величине температуры по Кельвину. То есть, 273К (0ºC) = 2,73V, ну и так же далее. Термодатчик сделан выносным и подключается к схеме через разъёмную пару XP1-XS1, Желательно использовать экранированный кабель. Вместе с резистором датчик А1 образует параметрический стабилизатор, напряжение на котором зависит от температуры вышесказанным образом. Для регистрации верхнего и нижнего пределов температуры здесь не пользуются два компараторе на операционных усилителях А2 и A3. Оба компаратора получают информацию о фактической температуре от одного и того же датчика А1, а вот установка предела, на который нужно реагировать, задается для каждого в отдельности. Органами установки предельных значений температуры являются переменные резисторы R3 и R6. Термостат предназначен для работы в пределах от -10ºС до +80ºС то есть, от 263К до 343К. Соответственно в этом диапазоне напряжение на датчике будет лежать в пределах от 2,63V до 3,43V. В таких же пределах нужно чтобы и происходила регулировка напряжения переменными резисторами R3 и R6 постоянного напряжения на прямом входе А2 и инверсном входе A3. Для этого соответствующим образом подобраны сопротивления резисторов R1, R2 и R4. R5. Оба компаратора сделаны по схемам без специальных мер для получения гистерезиса, их гистерезис равен напряжению смещения между входами, и практически они работаю без гистерезиса. Это обеспечивает высокую точность, но на пограничных значениях параметра на выходе компаратора могут возникать хаотические импульсы. Для того чтобы исключить их влияние на работу нагрузки в схеме есть RS-триггер на микросхеме D1. Триггер может принять одно из двух фиксированных положении, - включенное или выключенное состояние нагрузки. Выбор режима работы на нагрев или на охлаждение осуществляется переключателем S1. На  схеме он показан в положении «охлаждение». Рассмотрим работу схемы в этом режиме. Предположим температуре объекта выше максимальной величины, установленной резистором R3. В этом случае, напряжение на инверсном входе А2 оказывается выше напряжения на его прямом входе, которое установлено резистором R3. А раз так, то на выходе А2 устанавливается низкое напряжение. Это напряжение соответствует логическому нулю, поэтому триггер D1.3-D1.4 переключается в положение, в котором на выходе элемента D1.3 единица. Транзисторный ключ VT1 открывается и включает нагрузку посредством ключевой схемы на оптопаре U1 и симисторе U2. Нагрузка начинает работать и понижает температуру. В какой-то момент температура понизится до минимального  уровня, установленное резистором R6. В этом случае, напряжение на прямом входе A3 окажется ниже напряжения на инверсном входе, уста­новленного переменным резистором R6. На выходе A3 возникает логический ноль, который вернет триггер в исходное положение и нагрузка выключится. Теперь переключим S1 в противоположное показанному на схеме положение, и рассмотрим работу в режиме «нагрев». Этот режим отличается тем, что назначение резисторов R3 и R6 меняется. Теперь минимальную температуру объекта устанавливают резистором R3, а максимальную резистором R6. Допустим температура объекта ниже минимального уровня, заданного резистором R3. Это значит, что напряжение на инверсном входе А2 ниже напряжения на его прямом входе, установленного резистором R3. Поэтому на выходе А2 возникает высокое напряжение, соответствующее высокому логическому уровню. На выходе D1.1 появляется логический ноль, который переключает триггер D1.3- D1.4 в состояния с логической единицей на выходе D1.3. VT1 открывается и ключевая схеме на оптопаре U1 и симисторе включает нагреватель. Температура объекта начинает увеличиваться, и в какой-то момент достигает макси­мального уровня, установленного резистором R6. При этом напряжение на прямом входе A3 становится больше напряжения на инверсном входе, заданного и переменным резисторам R6. На выходе A3 возникает высокий логический уровень, а на выходе D1.2 - низкий. Триггер D1.3-D1.4 возвращается в исходное состояние, а нагрузка (нагреватель) выключается. Так как во многих случаях гальваническая связь между температурным датчиком и электросетью может быть нежелательна, схема питается от источника постоянного тока напряжением 12V, состоящего из маломощного трансформаторе, мостового выпрямителя и сглаживающего конденсатора. Для управления нагрузкой используется схема ключевого устройства с оптопарой, так же обеспечивающего развязку от сети. Датчик LM335Z выполнен, а корпусе с тремя выводами, похожем на транзистор. Один из отводов не используется (рис. 4).

После монтажа третий вывод отрезан, и все заизолировано изоляционной лентой. Операционные усилители КР140УД608 (на корпусе написано «УД608») можно заменить другими аналогичными ОУ. Микросхему К561ЛА7 возможно заменив на К176ЛА7. Выходной каскад можно сделать и по другой схеме, например, на реле или на оптосимисторе, на сборке тиристоров и др. Желательно при этом сохранить гальваническую развязку схемы от сети. Переключатель S1 - двойной тумблер. Монтаж выполнен на печатной плате, показанной на рисунках 2 и 3.

Резисторы R3, R6, а так же переключатель и разъемы расположены не на плате, и соединены с ней монтажными проводами. При мощности нагрузки до 800 W радиатор симистору не требуется. При большей мощности может потребоваться пластинчатый радиатор. Симистор расположен на краю платы, поэтому проблем с установкой радиатора возникать не должно. Если все помещено в металлический корпус, то его можно использовать как радиатор, тем более, симистор выполнен в изолированном корпусе. Радиатор для А4 не требуется. Налаживание заключается в градуировке шкал, нарисованных вокруг рукояток переменных резисторов R3 и R6. Так как в этой схеме температура, выраженная в градусах по Кельвину, численно совпадает с напряжением, выраженным в 0,01V, то процесс градуировки существенно упрощается. Достаточно измерять мультиметром напряжение на 3-м выводе А2 (или 2-м A3) и, переведя «кельвины» в «Цельсии» делать на шкалах отметки. Можно пойти дальше, и сделать два разъема, от которых пустить проводники к выводу 3 А2 и выведу 2 A3, и в процессе пользования устанавливать значения температуры измеряя напряжения на этих разъемах при помощи мультиметра. Так, используя многооборотные переменные резисторы, можно достигнуть достаточно большой точности установки температуры. A еще, если есть такая возможность, можно взять два жидкокристаллических измерительных модуля от импортных лабораторных источников питания, и использовать их для измерения напряжения установки. Тогда получится такой термостат с аналого-цифровой установкой. Правда, значения температуры будут по Кельвину.

Радиоконструктор №7 2009г стр. 29